美國加利福尼亞卡拉維拉斯大壩重建工程

[美國] M.弗瑞斯特 等

美國加利福尼亞卡拉維拉斯大壩重建工程

[美國] M.弗瑞斯特 等

為了恢復(fù)美國加利福尼亞卡拉維拉斯大壩水庫的蓄水能力并滿足抗震設(shè)計(jì)要求,將在原壩下游重建一座新壩。目前該工程正在實(shí)施中,計(jì)劃于2018年年底完工。討論了壩址地質(zhì)、地震條件，以及為滿足高抗震標(biāo)準(zhǔn)所開展的大壩設(shè)計(jì)。

大壩;壩設(shè)計(jì);抗震設(shè)計(jì)

卡拉維拉斯大壩重建工程位于加利福尼亞州米爾皮塔斯東北部，緊鄰原卡拉維拉斯大壩的下游。該大壩水庫是舊金山公共事業(yè)局水系統(tǒng)的重要組成部分，自1925年建成以來，攔蓄了阿拉米達(dá)(Alameda)郡境內(nèi)大約120×106m3的徑流量，其蓄水量占當(dāng)?shù)毓彩聵I(yè)用水的40%。

2001年12月，考慮到大壩在地震情況下的穩(wěn)定性和安全，經(jīng)加利福尼亞大壩安全局授權(quán)，舊金山公共事業(yè)局將水庫的正常最高蓄水位230 m 降低到了215 m。這樣，蓄水量只是最大庫容的39%,結(jié)果造成了庫容減少和水質(zhì)降低。

為了恢復(fù)庫容，計(jì)劃在原壩下游重建大壩和附屬建筑物，重建大壩應(yīng)能抵御設(shè)計(jì)地震，最大可信地震矩震級為7.25，發(fā)震斷層為卡拉維拉斯斷層，距壩址457 m。最大可信地震的地面加速度峰值為1.1 g。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：發(fā)生地震時(shí)大壩不得開裂、壩頂沉降不能危害水上壩體 、關(guān)鍵部位(如反濾和排水)不能過度變形,同時(shí)應(yīng)保證引水建筑物和溢洪道不受損且能正常運(yùn)行。

1 原壩現(xiàn)狀

大壩高64 m，壩頂長366 m,始建于1913年，采用水力充填法施工，直到1918年大壩填筑到海拔233 m。1918年3月24日，上游壩坡發(fā)生大型坍塌，滑體撞倒進(jìn)水塔，并滑動(dòng)到上游距壩軸線183 m處。

1923年大壩建設(shè)復(fù)工，并于1925年完工，壩頂高程237 m?；麦w很少被挖走，在上游壩殼遺留了深厚的滑體物質(zhì);復(fù)工后填筑的壩殼堆石料較軟，且工法由原來的水力充填改為碾壓粘土。

20世紀(jì)70年代初對大壩進(jìn)行了穩(wěn)定性再評估，1974年對上、下游壩殼采用當(dāng)?shù)厥线M(jìn)行了加固。不過根據(jù)對大壩施工方法以及臨近卡拉維拉斯斷層所做的推斷結(jié)果表明,當(dāng)卡拉維拉斯斷層發(fā)生大地震時(shí)，地面產(chǎn)生的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)會(huì)影響大壩的安全。

2 地質(zhì)調(diào)查

2.1 區(qū)域地質(zhì)和卡拉維拉斯斷層

卡拉維拉斯大壩水庫位于東舊金山灣地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)帶內(nèi),該構(gòu)造帶內(nèi)分布有幾條活斷層，包括卡拉維拉斯斷層、海沃特?cái)鄬?、格林維爾斷層和康科德斷層。水庫淹沒的卡拉維拉斯峽谷的部分成因是卡拉維拉斯斷層的構(gòu)造活動(dòng)。

卡拉維拉斯斷層位于壩址以西457 m處，它是造成壩址地面強(qiáng)烈震動(dòng)的最主要震源。沿長達(dá)128 km的卡拉維拉斯斷層活動(dòng)的地貌特征明顯。過去200 a中的地震記錄顯示，該斷層發(fā)生過很多中、小地震。壩址附近還分布著次級斷層，包括石料場和溢洪道非活動(dòng)性斷層和峽谷活動(dòng)斷層。

2.2 壩址地質(zhì)條件

對重建壩址的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，由于壩址臨近卡拉維拉斯斷層，壩基巖體反復(fù)遭受過震動(dòng)、剪切和其他構(gòu)造應(yīng)力的影響，地質(zhì)條件非常復(fù)雜。左壩肩包括溢洪道開挖穿越的了望山大部分，特姆朗砂巖風(fēng)化深厚，裂隙發(fā)育。30 m深度范圍內(nèi)的特姆朗砂巖滲透性強(qiáng)，鉆孔壓水試驗(yàn)呂榮值超過500(1呂榮約等于10-5m3/s)。30 m深度以下為微新巖體，裂隙中等發(fā)育，呈塊狀，滲透性較低，通常不超過20呂榮。

2012年和2013年開挖壩基時(shí)，在左壩肩發(fā)現(xiàn)了2個(gè)大型古滑坡體,導(dǎo)致左岸坡的設(shè)計(jì)變更。

右岸壩段和河床壩段基巖屬于弗蘭西斯復(fù)合構(gòu)造，上覆崩積、滑坡堆積和沖積層等。這種復(fù)合建造巖體普遍受到構(gòu)造剪應(yīng)力的作用，為深灰到黑色的粘土質(zhì)極軟—軟頁巖，富含構(gòu)造包裹物，如雜砂巖、蛇紋巖、硅質(zhì)片巖、綠巖(變玄武巖)和藍(lán)片巖(藍(lán)閃石片巖和角閃片巖)。巖塊從礫石般大小到直徑超過30.5 m，綠巖和藍(lán)片巖是最堅(jiān)硬的巖石，在右壩肩下游構(gòu)造包裹物直徑可達(dá)幾十英尺；雜砂巖屬中硬巖—硬巖，通常以小礫石和漂石的形式出現(xiàn)在頁巖體中；硅質(zhì)片巖屬軟巖—硬巖，而蛇紋巖是典型極軟巖。

左岸壩段特姆朗砂巖和河床壩段弗蘭西斯復(fù)合構(gòu)造呈不整合接觸，不整合面傾向西北方向，傾角約20°～25°。

3 重建設(shè)計(jì)

根據(jù)壩基地質(zhì)條件和地震條件，重建設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮壩型選擇、左壩肩滲控、地面加速度1.1 g條件下大壩橫斷面、左壩肩高12.2 m重力式擋墻及原壩殘留部分的大變形對進(jìn)水口的潛在影響。

3.1 壩型選擇

在概念設(shè)計(jì)期間，對原壩的補(bǔ)救方案(部分開挖和清除、扶壁支撐、石柱加固等)和重建壩型進(jìn)行了深入討論篩選。首先排除了石柱補(bǔ)救方案，因?yàn)榕c原壩內(nèi)條件多變相關(guān)的影響不清楚，而且是否能通過技術(shù)實(shí)現(xiàn)也不確定。由于壩基巖石條件多變，下游重建采用碾壓混凝土壩的方案也被放棄。其他壩型包括土壩、土石壩、混凝土面板堆石壩和瀝青心墻堆石壩，也按照地震可靠性和運(yùn)行情況等多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)做了詳細(xì)評估?；谥尾牧系目煽啃浴⒏叩卣鹆叶葏^(qū)建壩先例和費(fèi)用等，舊金山公共事業(yè)局決定在原壩下游新建土石壩。

3.2 左岸截滲方式

為了處理左壩肩強(qiáng)滲透性和強(qiáng)風(fēng)化砂巖(風(fēng)化深度達(dá)30 m)，考慮了4種開挖和滲控措施，包括多排帷幕灌漿、咬合樁地連墻、抽槽回填筑壩材料以及抽槽回填混凝土。

作為壩型論證的一部分，按照多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對滲控措施進(jìn)行了研究，包括地震工況。抽槽回填筑壩材料在長期滲流工況條件下是最可靠的滲控措施，可極大限度地降低心槽中壩體材料受裂縫影響的程度，一旦產(chǎn)生裂縫，反濾排水體能夠控制滲漏并防止管涌的發(fā)生。相比之下，多排帷幕灌漿、咬合樁防滲墻和抽槽回填混凝土均設(shè)置在中強(qiáng)風(fēng)化、裂隙發(fā)育的砂巖中，地震期間能有效防止裂縫的影響。另外，抽槽回填筑壩材料對成本和工期的不確定性和潛在的負(fù)面影響相對較小，造價(jià)幾乎是最低的，因此，左壩肩特姆朗砂巖的滲控設(shè)計(jì)最終采用該方案。

3.3 大壩斷面設(shè)計(jì)

作為詳細(xì)設(shè)計(jì)的一部分,新建壩的結(jié)構(gòu)基于可用的建筑材料、穩(wěn)定性和地震變形分析結(jié)果來確定。如圖1所示，新建壩壩高67 m，壩頂高程235 m。壩頂寬24.5 m。壩頂寬度考慮了將來心墻加高的需要，將來正常供水水位271 m，相應(yīng)庫容要達(dá)到476×106m3。

大壩粘土心墻(1區(qū))由上游壩殼堆石(5區(qū))和下游壩殼填土(4區(qū))支承，心墻和下游壩殼之間為厚4.6 m的濾管(2區(qū))和厚3 m的排水體，心墻與上游壩殼之間為厚2.4 m的上游濾體(2A區(qū))和厚2.4 m的粗濾體(5A區(qū))。下游壩殼下敷設(shè)水平排水系統(tǒng)，兩岸壩段為濾體(2區(qū))/排水(3區(qū))/濾體(2區(qū))，河床壩段為濾體(2區(qū))/排水(3區(qū))/堆石(5區(qū))/濾體(2A區(qū))。為防止水浪侵蝕，對上游壩坡采取堆石(6區(qū))防護(hù)。

濾管和排水寬度應(yīng)滿足計(jì)算地震作用下的下游壩坡水平位移，且應(yīng)考慮今后大壩加高培厚。另外，靠近壩肩的上游濾體(2A區(qū))上部12 m從2.4 m加寬到4.4 m，在地震時(shí)既可以阻止壩肩心墻在壩基附近裂縫向上發(fā)展，又可以防止心墻與壩基脫位。

4 穩(wěn)定分析和地震變形分析

對重建壩穩(wěn)定性和地震變形分析,是假定原壩及其與重建壩之間不存在任何填充物，筑壩材料的工程特性依據(jù)現(xiàn)場勘察取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)確定，壩基巖石的工程特性依據(jù)實(shí)地觀察結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果確定。特姆朗砂巖是一種海相沉積的鈣質(zhì)膠結(jié)長石砂巖，其中夾有頁巖薄層和礫巖夾層，其特性采用標(biāo)準(zhǔn)巖體工程方法確定。確定弗蘭西斯復(fù)合建造的特性需考慮“塊基特性”,“塊基巖體”是強(qiáng)度較高的硬質(zhì)巖塊摻雜在軟弱巖體基質(zhì)中的一種混合巖體。確定卡拉維拉斯壩基弗蘭西斯復(fù)合建造特性的方法，是采用斯科特(Scott)混凝土重力壩弗蘭西斯復(fù)合建造抗剪強(qiáng)度確定方法。

穩(wěn)定性分析包括對筑壩完成時(shí)間、長期穩(wěn)定滲流、最大可能洪水、水位驟降以及地震后靜態(tài)穩(wěn)定性等的極限平衡分析。同時(shí)，也對大壩斷面進(jìn)行了分析。

地震變形分析采用了兩種方法：①Newmark-type方法，采用QUAD4M給每個(gè)滑動(dòng)體施加平均水平加速度；②非線性有限元法，采用FLAC計(jì)算程序。地震變形分析結(jié)果顯示，在設(shè)計(jì)地震情況下，上游壩坡面附近的水平位移達(dá)到了1 m，下游的達(dá)到了0.6 m，均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)地震引起的壩頂沉降估計(jì)小于1.2 m，小于大壩超高4.9 m。當(dāng)考慮原壩和兩壩間淤積物時(shí)，上游壩坡的變形量可降低50%。

5 地震對其他建筑物的影響

5.1 左壩肩重力擋墻

為避開右壩肩滑坡，將重建壩的溢洪道設(shè)在左壩肩，溢洪道開挖深度122 m。為減少溢洪道開挖土石方，設(shè)計(jì)了重力擋墻，既作為溢洪道右側(cè)墻又作為高10.6～12.2 m的左壩肩,見圖2。

溢洪道重力擋墻極限平衡穩(wěn)定性分析結(jié)果顯示，各種工況，包括地震荷載下的滑動(dòng)及傾覆，重力墻均是穩(wěn)定的。但設(shè)計(jì)地震條件下的擬靜力分析表明，合力作用點(diǎn)位于重力擋墻基座內(nèi),但在基座核心點(diǎn)外。該結(jié)果說明重力擋墻有向溢洪道傾斜的可能，在心墻與擋墻接觸部位造成墻基座與地基分離。盡管大壩心墻下游面受到反濾體很好的保護(hù)，反濾體與心墻的相互作用減小了心墻開裂的影響，但重力擋墻基座與地基分離產(chǎn)生的裂隙會(huì)形成一個(gè)通道，壩體土顆粒會(huì)沿該通道流失，而不會(huì)被下游反濾體攔截。

為了控制擋墻基座與地基分離，減小對大壩心墻完整性的潛在影響，優(yōu)斯公司采用以下3種方法研究了重力擋墻在設(shè)計(jì)地震荷載下的動(dòng)力特性。

(1) 利用土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析法評價(jià)重力擋墻的潛在變形及其基座與巖石地基的分離。

(2) 在評價(jià)重力擋墻基座分離的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)約束系統(tǒng)，控制基座分離度。

(3) 將土-結(jié)構(gòu)相互作用與約束系統(tǒng)結(jié)合，評估所設(shè)計(jì)的約束系統(tǒng)是否可達(dá)到預(yù)期效果。

選擇最大斷面進(jìn)行了土-結(jié)構(gòu)相互作用分析，動(dòng)力分析采用計(jì)算機(jī)程序FLAC 5.0版。在不考慮約束系統(tǒng)情況下，土-結(jié)構(gòu)相互作用分析結(jié)果顯示，墻踵與巖基的最大分離寬度為0.06～0.12 m，其值取決于水平輸入地震力的極性。

根據(jù)上述初步動(dòng)力分析，重力墻踵張開度限制在2.54 cm以內(nèi)所需的力矩值為4 757 kN-m,該力矩用來確定張拉單元的直徑和強(qiáng)度。錨桿設(shè)計(jì)考慮了鋼筋屈服強(qiáng)度、灌漿與巖石粘結(jié)失效(28 d砂漿強(qiáng)度27.6 MPa)、鋼筋與灌漿粘結(jié)失效和巖體失穩(wěn)等。約束系統(tǒng)由5排錨桿組成，錨桿中心間距1.5 m，長6 m，使用環(huán)氧涂層75螺紋鋼，采取水泥灌漿方法將錨桿固定到直徑為15.2 cm的孔中。第1、2排(最靠近溢洪道)采用14號鋼筋(直徑4.4 cm)，第3、4、5排采用18號鋼筋(直徑5.7 cm)。

設(shè)置約束系統(tǒng)旨在控制重力墻與地基之間可能出現(xiàn)的分離現(xiàn)象，防止土顆粒流失，土-結(jié)構(gòu)相互作用分析結(jié)果證明設(shè)計(jì)滿足要求，重力墻踵瞬時(shí)分離度小于1.7 cm，永久分離度0.7 cm。這些分離度在可接受范圍內(nèi)，當(dāng)最大可信地震發(fā)生時(shí)，重力墻能保持大壩的完整性。考慮到重力墻基座和地基之間存在殘余分離，設(shè)置了止水系統(tǒng)，防止土顆粒沿墻與地基分離裂縫流失，止水系統(tǒng)沿重力擋墻地基砂巖中開挖的腳槽布置。

5.2 原壩地震變形及其對取水口的影響

卡拉維拉斯新壩設(shè)計(jì)要求利用3個(gè)已有的取水口作為水庫排水設(shè)施?？梢韵胍?，在強(qiáng)地震作用下，原壩殘留壩體會(huì)發(fā)生液化，導(dǎo)致上游部分壩體大變形。由于原壩體中含有可液化物質(zhì)，上游壩腳處滑坡堆積物靠近取水口和排水部位，而且原壩和水庫靠近卡拉維拉斯斷層，當(dāng)斷層發(fā)生大地震時(shí)，強(qiáng)烈的地面運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致取水口和排水部位堵塞。

為評價(jià)地震對取水口和排水設(shè)施的影響，曾考慮開展定量分析，但由于以下原因而未實(shí)施。

(1) 由于三維幾何形狀非常復(fù)雜，需要對原壩體和滑坡體物質(zhì)分區(qū)，分別提出物理力學(xué)性質(zhì)，存在很多的不確定性。

(2) 分析的精度很低，價(jià)值有限，為此采取定性分析方法評價(jià)，考慮了很多因素，如取水口和排水的高程以及其之間與原壩和滑坡體之間的距離、1918年滑坡體向上游的最初滑動(dòng)距離、原壩上游的河谷地貌以及原壩是否會(huì)發(fā)生大變形的早期研究結(jié)果等。

根據(jù)定性分析，可以得出如下結(jié)論：

(1) 位于高程221.6 m的取水口3不可能被堵塞。

(2) 高程213 m的取水口2被堵塞的可能性很小。

(3) 高程202.25 m的取水口1被堵塞的可能性較低。

(4) 高程183.5 m的排水有可能被堵塞。

基于這些結(jié)論，最終設(shè)計(jì)方案包括在高程212 m穿越原壩的引水渠設(shè)置上游倒拱，在取水口2、3和引水渠之間設(shè)置小型堆石戧道，堆石戧道的高程218～222.5 m，其作用是阻擋變形體，避免堵塞取水口。

本文主要討論了卡拉維拉斯大壩重建工程的設(shè)計(jì)方案，認(rèn)為需要考慮最大可信地震發(fā)生時(shí)大壩可能遭遇的地面加速度峰值。目前該壩正在建設(shè)中，計(jì)劃2018年年底完工。

(孟令欽 馬貴生 白 耘 編譯)

2014-11-23

1006-0081(2015)02-0018-04

TV631.712

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